Wielki kryzys chipów zagraża obietnicy prawa Moore’a

Ta maszyna do litografii w ekstremalnym ultrafiolecie umożliwia producentom wytwarzanie najnowocześniejszych chipów o wymiarach kilku nanometrów. ASML

Rok po pandemii covid-19 firma Apple upamiętniła rosnącą gamę urządzeń z niestandardowym chipem M1 z wielkimi fanfarami, w tym Misja nieprawdopodobna reklama w telewizji przedstawia młodego mężczyznę biegnącego po dachach kampusu statku kosmicznego w Cupertino i infiltrującego placówkę, aby ukraść przełomowy mikroprocesor z MacBooka i umieścić go w iPadzie Pro.

Specjalnie zaprojektowany chip Apple to najnowszy triumf firmy Prawo Moore'a , obserwacja okazała się samospełniającą się przepowiednią, że producenci chipów mogą co kilka lat podwoić liczbę tranzystorów w chipie. ten M1 pakuje 16 miliardów tranzystorów na mikroprocesorze wielkości dużego znaczka pocztowego. To cud dzisiejszej wydajności produkcji półprzewodników.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2021 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ale nawet gdy Apple świętował M1, świat stanął w obliczu katastrofy ekonomicznej brak mikroprocesorów , szczególnie te stosunkowo tanie, które umożliwiają wykorzystanie wielu współczesnych technologii.

Producenci samochodów zamykają linie montażowe i zwalniają pracowników, ponieważ nie mogą zdobyć wystarczającej ilości żetonów za 1 dolara. Producenci uciekli się do budowania pojazdów bez chipów niezbędnych do systemów nawigacji, cyfrowych lusterek wstecznych, ekranów dotykowych wyświetlaczy i systemów zarządzania paliwem. Ogólnie globalny przemysł motoryzacyjny może stracić więcej niż 110 miliardów dolarów na niedobór w 2021 roku.

Produkcja spadła również na smartfony, laptopy, konsole do gier, telewizory, a nawet inteligentne urządzenia, a wszystko to z powodu braku tanich mikrochipów. Ich wykorzystanie jest tak istotne i tak rozpowszechnione, że niektórzy obserwatorzy uważają, że kryzys chipowy może zagrozić globalnemu ożywieniu gospodarczemu po pandemii.

Globalny niedobór rzuca ostre światło na zdolność przemysłu półprzewodników do dostarczania tańszych i mocniejszych mikroukładów. Wieloletnia obietnica chipów o coraz większych możliwościach zainspirowała inżynierów, programistów i projektantów produktów do tworzenia generacji nowych produktów i usług. Prawo Moore'a było czymś więcej niż tylko mapą drogową dla przemysłu półprzewodników — to ono rządziło zmianami technologicznymi w ciągu ostatniego półwiecza.

Teraz obietnica większej mocy obliczeniowej wszędzie się kruszy, ale nie dlatego, że producenci chipów w końcu zmierzyli się z fizycznymi ograniczeniami technologii, aby tworzyć coraz mniejsze tranzystory. Zamiast tego rosnące koszty utrzymania prawa Moore'a zachęciły do ​​konsolidacji wśród producentów chipów i stworzyły więcej dławików w niezwykle złożonej branży produkcji chipów.

Mimo że mikroczipy stały się niezbędne w tak wielu produktach, ich rozwój i produkcja zostały zdominowane przez niewielką liczbę producentów o ograniczonych zdolnościach produkcyjnych – i apetytu – na masową produkcję chipów towarowych, które są podstawą dzisiejszych technologii. A ponieważ wytwarzanie chipów wymaga setek etapów i miesięcy produkcji, przemysł półprzewodników nie może szybko przestawić się, aby zaspokoić napędzany pandemią wzrost popytu.

Po dziesięcioleciach zamartwiania się tym, jak wyrzeźbić elementy o wielkości zaledwie kilku nanometrów na płytkach krzemowych, duch prawa Moore'a — oczekiwanie, że tanie, wydajne chipy będą łatwo dostępne — jest teraz zagrożony czymś znacznie bardziej przyziemnym: nieelastycznym dostarczać łańcuchy.

Samotna granica

Dwadzieścia lat temu na świecie było 25 producentów produkujących najnowocześniejsze chipy. Tylko dziś Tajwańska firma produkująca półprzewodniki (TSMC) na Tajwanie, Intel w Stanach Zjednoczonych i Samsung w Korei Południowej mają zakłady lub fabryki, które produkują najbardziej zaawansowane chipy. A Intel, od dawna lider technologii, stara się nadążyć, wielokrotnie przekraczając terminy produkcji swoich najnowszych generacji.

Jednym z powodów konsolidacji jest to, że budowa zakładu produkującego najbardziej zaawansowane chipy kosztuje od 5 do 20 miliardów dolarów. Te fabryki wytwarzają chipy o cechach tak małych jak kilka nanometrów; w żargonie branżowym nazywane są węzłami 5-nanometrowymi i 7-nanometrowymi. Znaczna część kosztów nowych fabryk idzie na zakup najnowszego sprzętu, takiego jak narzędzie o nazwie an ekstremalna litografia ultrafioletowa (EUV), która kosztuje ponad 100 milionów dolarów. Wykonane wyłącznie przez ASML w Holandii maszyny EUV są używane do wytrawiania szczegółowych wzorów obwodów z funkcjami wielkości nanometrów.

Producenci chipów pracowali nad technologią EUV od ponad dwóch dekad. Po miliardach dolarów inwestycji, maszyny EUV zostały po raz pierwszy użyte w komercyjnej produkcji chipów w 2018 roku. To narzędzie jest spóźnione o 20 lat, 10-krotnie przekracza budżet, ponieważ jest niesamowite, mówi David Kanter, dyrektor wykonawczy otwartego konsorcjum inżynierskiego zajmującego się uczeniem maszynowym. To prawie magiczne, że nawet działa. To zupełnie jak science fiction.

Taki gigantyczny wysiłek umożliwił stworzenie miliardów maleńkich tranzystorów w chipie Apple M1, który został wykonany przez TSMC; jest to jedna z pierwszej generacji najnowocześniejszych chipów, która w pełni polega na EUV.

Tylko największe firmy technologiczne są gotowe zapłacić setki milionów dolarów za zaprojektowanie chipa dla najnowocześniejszych węzłów.

Płacenie za najlepsze chipy ma sens dla Apple, ponieważ te chipy trafiają do najnowszych modeli MacBooków i iPhone'ów, które sprzedają się w milionach po cenach luksusowych marek. Jedyną firmą, która faktycznie używa EUV na dużą skalę, jest Apple, która sprzedaje smartfony o wartości 1000 USD, na które mają szaloną marżę, mówi Kanter.

Fabryki do produkcji takich chipów są nie tylko drogie, ale koszt zaprojektowania niezwykle skomplikowanych obwodów jest obecnie poza zasięgiem wielu firm. Oprócz Apple tylko największe firmy technologiczne, które wymagają najwyższej wydajności obliczeniowej, takie jak Qualcomm , AMD , oraz Nvidia , są gotowi zapłacić setki milionów dolarów, aby zaprojektować chip dla najnowocześniejszych węzłów, mówi Sri Samavedam, starszy wiceprezes ds. technologii CMOS w Imec, międzynarodowym instytucie badawczym z siedzibą w Leuven w Belgii.

O wiele więcej firm produkuje laptopy, telewizory i samochody, które wykorzystują chipy wykonane przy użyciu starszych technologii, a gwałtowny wzrost popytu na nie leży u podstaw obecnego niedoboru chipów. Mówiąc najprościej, większość klientów korzystających z chipów nie może sobie pozwolić – lub nie chce za nie płacić – najnowszych chipów; typowy samochód wykorzystuje dziś dziesiątki mikroprocesorów, podczas gdy pojazd elektryczny wykorzystuje ich znacznie więcej. Szybko się sumuje. Zamiast tego twórcy takich rzeczy jak samochody trzymają się chipów wykonanych przy użyciu starszych technologii.

Co więcej, wiele z najpopularniejszych obecnie elektroniki po prostu nie wymaga najnowocześniejszych chipów. Nie ma sensu umieszczać na przykład chipa A14 [iPhone i iPad] w każdym komputerze, który mamy na świecie, mówi Hassan Khan, były doktorant z Carnegie Mellon University, który badał implikacje polityki publicznej koniec Prawa Moore'a i obecnie pracuje w Apple. Nie potrzebujesz go w swoim inteligentnym termometrze w domu i nie potrzebujesz 15 w swoim samochodzie, ponieważ jest bardzo energochłonny i bardzo drogi.

Problem polega na tym, że mimo iż coraz więcej użytkowników polega na starszych i tańszych technologiach chipów, giganci branży półprzewodnikowej skupili się na budowaniu nowych, najnowocześniejszych fabryk. TSMC, Samsung i Intel ogłosiły niedawno miliardy dolarów inwestycji w najnowsze zakłady produkcyjne. Tak, są drogie, ale właśnie tam są zyski – a od 50 lat tam jest przyszłość.

TSMC, największy na świecie producent kontraktowy chipów, zarobił prawie 60% swoich przychodów w 2020 roku dzięki wytwarzaniu najnowocześniejszych chipów o cechach 16 nanometrów i mniejszych, w tym chipie Apple M1 wykonanym w 5-nanometrowym procesie produkcyjnym.

Co gorsza, nikt nie buduje urządzeń do produkcji półprzewodników w celu obsługi starszych technologii, mówi Dale Ford, główny analityk w Electronic Components Industry Association, stowarzyszeniu handlowym z siedzibą w Alpharetta w stanie Georgia. I tak utknęliśmy tutaj między młotem a kowadłem.

Żetony z niższej półki

Wszystko to ma znaczenie dla użytkowników technologii nie tylko ze względu na zakłócenia w dostawach, jakie powoduje dzisiaj, ale także dlatego, że zagraża rozwojowi wielu potencjalnych innowacji. Oprócz tego, że są trudniejsze do zdobycia, tańsze chipy towarowe stają się również stosunkowo droższe, ponieważ każda generacja chipów wymaga droższego sprzętu i urządzeń niż poprzednie generacje.

Niektóre produkty konsumenckie będą wymagały po prostu mocniejszych chipów. Budowa szybszych sieci komórkowych 5G i wzrost liczby aplikacji obliczeniowych uzależnionych od prędkości 5G może wymusić inwestycję w wyspecjalizowane chipy przeznaczone do sprzętu sieciowego, który komunikuje się z dziesiątkami lub setkami urządzeń podłączonych do Internetu. Funkcje motoryzacyjne, takie jak zaawansowane systemy wspomagania kierowcy i pokładowe systemy informacyjno-rozrywkowe, mogą również korzystać z najnowocześniejszych chipów, o czym świadczy producent pojazdów elektrycznych Zgłoszone partnerstwa Tesli zarówno z TSMC, jak i Samsungiem nad opracowaniem chipów dla przyszłych autonomicznych samochodów.

Jednak kupowanie najnowszych, najnowocześniejszych chipów lub inwestowanie w wyspecjalizowane projekty chipów może nie być praktyczne dla wielu firm przy opracowywaniu produktów dla inteligentnej przyszłości. Producenci urządzeń konsumenckich, takich jak urządzenie do sous vide z obsługą Wi-Fi, raczej nie wydadzą pieniędzy na samodzielne opracowanie wyspecjalizowanych chipów w celu dodania jeszcze bardziej wyszukanych funkcji, mówi Kanter. Zamiast tego prawdopodobnie zwrócą się do tego, co mogą zapewnić chipy wykonane przy użyciu starszych technologii.

Większość dzisiejszych klientów chipów korzysta z tańszych chipów, które stanowią kompromis między kosztem a wydajnością.

A tańsze przedmioty, takie jak ubrania, mają bardzo cienkie marże, które pozostawiają niewiele miejsca na droższe żetony, które dodałyby dolara – nie mówiąc już o 10 lub 20 USD – do ceny każdego przedmiotu. Oznacza to, że rosnąca cena mocy obliczeniowej może uniemożliwić rozwój odzieży, która mogłaby na przykład wykrywać i reagować na polecenia głosowe lub zmiany pogody.

Świat prawdopodobnie może żyć bez bardziej wyrafinowanych maszyn do sous vide, ale brak coraz tańszych i potężniejszych chipów wiązałby się z realnymi kosztami: koniec ery wynalazków napędzanych prawem Moore'a i jego dziesięcioletnią obietnicą, że coraz bardziej przystępna moc obliczeniowa będą dostępne dla następnej innowacji.

Większość dzisiejszych klientów chipów zadowala się tańszymi chipami towarowymi, które stanowią kompromis między kosztem a wydajnością. I to właśnie podaż takich chipów towarowych wydaje się daleka od wystarczającej w miarę wzrostu globalnego zapotrzebowania na moc obliczeniową.

„Wciąż jest tak, że wzrasta zużycie półprzewodników w pojazdach, wzrasta zużycie półprzewodników w tosterze i we wszelkiego rodzaju rzeczach”, mówi Willy Shih, profesor praktyki zarządzania w Harvard Business School. Powstaje więc pytanie, gdzie ten niedobór uderzy w następnej kolejności?

Globalny koncern

Na początku 2021 r. prezydent Joe Biden podpisał dekret upoważniający recenzje łańcucha dostaw za żetony i poparł ponadpartyjny nacisk w Kongresie, aby przynajmniej zaaprobować 50 miliardów dolarów na produkcję i badania półprzewodników . Biden zorganizował również dwa szczyty w Białym Domu z liderami branży półprzewodników i przemysłu samochodowego, w tym spotkanie 12 kwietnia, podczas którego eksponował wafel krzemowy.

Działania te nie rozwiążą w najbliższym czasie braku równowagi między popytem na chipy a podażą. Eksperci twierdzą jednak, że przynajmniej dzisiejszy kryzys jest okazją dla rządu USA, by w końcu spróbować naprawić łańcuch dostaw i odwrócić ogólne spowolnienie w zakresie innowacji w dziedzinie półprzewodników – i być może wzmocnić zdolność USA do wytwarzania tak bardzo potrzebnych chipów.

Szacuje się, że od 2019 r. 75% wszystkich mocy produkcyjnych chipów znajdowało się w Azji Wschodniej, z udziałem USA na poziomie około 13%. Sama tajwańska firma TSMC ma prawie 55% rynku odlewniczego, który obsługuje zamówienia na produkcję chipów dla konsumentów.

Nad wszystkim wisi amerykańsko-chińska rywalizacja. SMIC, chińska firma, mistrz kraju, buduje fabryki, które wciąż są opóźnione o pięć lub sześć lat za najnowocześniejszymi technologiami chipów. Możliwe jednak, że chińskie odlewnie mogą pomóc w zaspokojeniu globalnego popytu na chipy zbudowane na starszych węzłach w nadchodzących latach. Biorąc pod uwagę dotacje państwowe, które otrzymują, możliwe jest, że chińskie odlewnie będą najtańszymi producentami, ponieważ stoją w fabrykach w węzłach 22-nanometrowych i 14-nanometrowych, mówi Khan. Chińskie fabryki mogą nie być konkurencyjne na pograniczu, ale mogą zaspokoić rosnącą część popytu.

Powiązana historia

Nie jesteśmy przygotowani na koniec Prawa Moore'a

Napędzał dobrobyt przez ostatnie 50 lat. Ale koniec jest już w zasięgu wzroku.

Według stowarzyszenia branżowego Semiconductor Industry Association (SIA) z siedzibą w Waszyngtonie, które opowiada się za wzmocnieniem globalnego łańcucha dostaw zamiast prób budowania w pełni samowystarczalne możliwości produkcji krajowej.

Ale w ukłonie w stronę znaczenia zaawansowanych chipów dla bezpieczeństwa narodowego i infrastruktury krytycznej, SIA sugeruje, że Stany Zjednoczone zapewniają firmom motywację rynkową do budowy dwóch lub trzech nowych, najnowocześniejszych fabryk w kraju. To może pomóc zapewnić, że krajowe sieci telekomunikacyjne i centra danych – wraz z armią amerykańską – będą miały krajowe dostawy chipów.

Zdjęcia w Białym Domu z prezydentem przywoływały na myśl rolę, jaką rząd odgrywał od zarania przemysłu półprzewodników, od którego wzięła się nazwa Doliny Krzemowej. Uczynienie tego frontu i centrum nie jest czymś, o czym prezydent mówił w ten sposób od czasów Ronalda Reagana, mówi Margaret O’Mara, historyk z University of Washington w Seattle. Biden siedzi tam i macha opłatkiem – chyba nigdy nie widziałem tego w prezydenckiej ręce.

Rząd USA stał się pierwszym i być może największym inwestorem venture capital w Dolinie, napisała O’Mara w swojej książce z 2019 roku Kodeks: Dolina Krzemowa i przebudowa Ameryki . Duże zamówienia rządowe na chipy do celów programu Apollo NASA i wojskowych międzykontynentalnych pocisków balistycznych Minuteman zachęciły producentów chipów do rozpoczęcia masowej produkcji i pomogły obniżyć koszt pierwszych chipów krzemowych z 1000 dolarów każdy w 1960 roku do zaledwie 25 dolarów w 1965 roku.

Spadek cen sprawił, że moc obliczeniowa stała się dostępna dla wielu, nie tylko dla agencji rządowych o głębokich kieszeniach. Rozpoczęło to złoty wiek Prawa Moore'a, w którym klienci czerpali korzyści z tańszych chipów, które co kilka lat zapewniały również lepszą wydajność. I możesz nie wiedzieć, że jego obietnica jest zagrożona, jeśli wszystko, co musisz zrobić, to najnowsza reklama Apple.

Kiedy przeprowadzałem wywiad z O'Marą do tej historii, do jej drzwi zjawił się dostawca, jak na zawołanie.

Mówiąc o żetonach, właśnie dostaję swój nowiutki komputer – powiedziała ze śmiechem. Tak, mam nowego MacBooka z chipem M1.

Jeremy Hsu jest dziennikarzem zajmującym się technologią i nauką z Nowego Jorku.

ukryć